Search

Дана магістерська дисертація складається зі змісту, вступу, п’яти розділів, висновків та списку використаних літературних джерел . Повний обсяг роботи складає 80 сторінок, включає у себе 30 рисунків, 14 таблиць, 50 формули, 19 джерел в переліку посилань та 2 додатки. Мета роботи. Метою роботи є аналіз результатів модернізації процесу регенерації двигуна Стірлінга УДС-1 для сонячної енергетичної установки з метою підвищення ефективності роботи. Відповідно до поставленої мети мають бути вирішені такі завдання: 1) Виготовлення конструктивного варіанту нового регенератора для двигуна Стірлінга УДС-1. 2) Проведення експериментальних досліджень з доведення працездатності створеного нового регенератора з визначенням його основних робочих параметрів та характеристик. 3) Аналіз отриманих експериментальних результатів, пошук відповідних методів обробки отриманих даних завдяки використанню різних теоретичних методик розрахунків. Об’єкт та предмет дослідження. Об’єктом дослідження є сонячна енергетична установка (СЕУ), на базі двигуна Стірлінга гамма-модифікації з модернізованим регенератором. Предметом дослідження є процеси регенерації теплової енергії в сітчасто-дротяному регенераторі. Методи дослідження: 1. Експериментальні методи: визначення основних робочих параметрів елементів СЕУ (температура гарячої порожнини ДС, температура холодної порожнини ДС, температура повітря на вході в регенератор, температура повітря на виході з регенератора, частота обертів ДС). 2. Теоретичні методи: розрахунок ефективності модернізованого дротяного регенератора за допомоги Kays and London’s method та Johnson’s method; розрахунок індикаторних характеристик ДС за ізотермічною моделлю по методу Шмідта. Апробація результатів дисертації: 1. Двигун Стірлінга потужністю 1 кВт для сонячної енергетичної установки з параболічним концентратором і електричним генератором // Матеріали III міжнародної науково-технічної конференції «Актуальні проблеми відновлюваної енергетики, будівництва та екологічної інженерії» 7-9 лютого 2019, Kельцe, Польща. 2. Модернізований регенератор для двигуна Стірлінга УДС-1 у сонячній енергетичній установці // Матеріали «I НАУКОВО-ТЕХНІЧНОЇ КОНФЕРЕНЦІЇ МАГІСТРАНТІВ ІНСТИТУТУ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ ТА ЕНЕРГОМЕНЕДЖМЕНТУ» (за результатами дисертаційних досліджень магістрантів), присвяченої 120-річчю КПІ ім. Ігоря Сікорського. 21 – 22 листопада 2018 року. This master's dissertation consists of content, introduction, five sections, conclusions and list of used literary sources. The total amount of work is 80 pages, includes 30 figures, 14 tables, 50 formul, 19 sources in the list of links and 2 applications. The goal of the work. The aim of the work is to analyze the results of the modernization of the Stirling engine UDS-1 regeneration process for a solar power plant in order to improve the efficiency of the work. According to the set goal, the following tasks should be solved: 1. Making a constructive version of the new regenerator for the Stirling engine UDC-1. 2. Conduct experimental research on the performance of the created new regenerator with the definition of its main operating parameters and characteristics. 3. An analysis of the experimental results obtained, the search for appropriate methods for processing the data obtained through the use of various theoretical calculation methods. Object and subject of research. The object of the study is a solar power plant (СЕУ), based on the Stirling engine gamma-modification with a modernized regenerator. The subject of the study is the processes of regeneration of thermal energy in the mesh-wound regenerator. Research methods: 1. Experimental methods: the determination of the main operating parameters of the CEU elements (the temperature of the hot cavity DS, the temperature of the cold cavity DS, the temperature of the air at the inlet to the regenerator, the temperature of the air at the output of the regenerator, the speed of the DS). 2. Theoretical methods: calculation of the efficiency of the modernized wired regenerator using the Kays and London method and Johnson's method; Calculation of the indicator characteristics of the DS on the isothermal model by the Schmidt method. Testing the results of the dissertation: 1. The 1 kW Stirling Engine for Solar Power System with Parabolic Concentrator and Electric Generator // Materials of the III International Scientific and Technical Conference "Actual Problems of Renewable Energy, Construction and Environmental Engineering" February 7-9, Kielce, Poland. 2. The modernized regenerator for the Stirling engine UDS-1 in the solar power plant // Materials of the «I SCIENTIFIC-TECHNICAL CONFERENCE OF MASTERS INSTITUTE FOR ENERGY SAVING AND ENERGY MANAGEMENT» (based on the results of dissertation researches of masters) devoted to the 120th anniversary of the KPI. Igor Sikorsky. November 21 - 22, 2018. Данная магистерская диссертация состоит из содержания, введения, пяти глав, заключения и списка использованных литературных источников. Полный объем работы составляет 80 страниц, включает в себя 30 рисунков, 14 таблиц, 50 формул, 19 источников в перечне ссылок и 2 приложения. Цель работы. Целью работы является анализ результатов модернизации процесса регенерации двигателя Стирлинга УДС-1 для солнечной энергетической установки с целью повышения эффективности работы. Согласно поставленной цели должны быть решены следующие задачи: 1. Изготовление конструктивного варианта нового регенератора для двигателя Стирлинга УДС-1. 2. Проведение экспериментальных исследований по доведению работоспособности созданного нового регенератора с определением его основных рабочих параметров и характеристик. 3. Анализ полученных экспериментальных результатов, поиск соответствующих методов обработки полученных данных благодаря использованию различных теоретических методик расчетов. Объект и предмет исследования. Объектом исследования является солнечная энергетическая установка (СЭУ), на базе двигателя Стирлинга гамма-модификации с модернизированным регенератором. Предметом исследования являются процессы регенерации тепловой энергии в сетчато-проводной регенераторе. Методы исследования: 1. Экспериментальные методы: определение основных рабочих параметров элементов СЭУ (температура горячей полости ДС, температура холодной полости ДС, температура воздуха на входе в регенератор, температура воздуха на выходе из регенератора, частота вращения ДС). 2. Теоретические методы: расчет эффективности модернизированного проволочного регенератора с помощью Kays and London's method и Johnson's method; расчет индикаторных характеристик ДС по изотермической модели по методу Шмидта. Апробация результатов диссертации: 1. Двигатель Стирлинга мощностью 1 кВт для солнечной энергетической установки с параболическим концентратором и электрическим генератором // Материалы III международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы возобновляемой энергетики, строительства и экологической инженерии» 7-9 февраля 2019, Kельцe, Польша. 2. Модернизированный регенератор для двигателя Стирлинга УДС-1 в солнечной энергетической установке // Материалы «I НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ МАГИСТРАНТОВ ИНСТИТУТА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭНЕРГОМЕНЕДЖМЕНТА» (по результатам диссертационных исследований магистрантов), посвященной 120-летию КПИ им. Игоря Сикорского. 21 - 22 ноября 2018 года.

Tese (doutorado) - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Bibliografia: f. 123-128 Este trabalho se destinou a analisar as condições do escoamento em chaminés solares de pequenas dimensões a partir de investigação experimental e análise teórica com o objetivo de determinar a influência dos parâmetros geométricos no desempenho do sistema. Para cumprir tal objetivo foi construído um protótipo modular, no qual foram obtidos os dados experimentais para o estudo dos comportamentos da temperatura e da umidade do escoamento para geometrias definidas. Uma investigação experimental sobre a influência dos parâmetros geométricos sobre o escoamento foi realizada. Os resultados apresentados para diferentes configurações de chaminés solares indicaram que os parâmetros mais influentes sobre a vazão mássica são o diâmetro e a altura da torre. O fator mais influente sobre a temperatura de saída do escoamento foi o diâmetro do coletor. Modelos da literatura foram utilizados para avaliar a eficiência energética e exergética deste dispositivo para as geometrias definidas. Um modelo analítico com as condições do escoamento em função dos parâmetros geométricos foi desenvolvido e uma análise paramétrica foi realizada para avaliar a influência dos parâmetros geométricos sobre o escoamento e suas eficiências. A análise do modelo analítico corroborou as conclusões da investigação experimental, ao mostrar que os parâmetros geométricos que mais influenciam a taxa de transferência de calor e a vazão mássica são os diâmetros do coletor e da torre. Em geral, observa-se que o aumento dos parâmetros geométricos favorece a eficiência energética do sistema. Um modelo numérico em CFD (do inglês, Computational Fluid Dynamics), que engloba o dispositivo, a atmosfera e o solo, foi simulado apresentando um comportamento coerente com a literatura. A influência do vento sobre o dispositivo foi analisado observando-se que uma parcela do vento que entra no interior do dispositivo pelo coletor provoca distorções no fluxo de ar, o aumento da velocidade dos ventos reduz a área efetiva de saída da torre, uma vez que o estrangulamento reduz o fluxo de ar de saída. Portanto, a influência da altura do coletor deve ser avaliada em conjunto com o vento externo ao dispositivo. De maneira geral, pode-se admitir que ambos os modelos numéricos podem ser utilizados como uma estimativa para o comportamento e para o desempenho do dispositivo. Palavras-chave: Chaminé Solar Modular. Análise Energética e Exergética. Análise Numérica e Experimental. This study was intended to examine the flow conditions in small solar chimney from experimental research and theoretical analysis in order to determine the influence of the geometric parameters on the performance of the system. To satisfy this objective, a modular prototype was constructed, where the experimental data were obtained for the behavior of the temperature and the humidity of the flow for defined geometries. An experimental investigation on the influence of the geometric parameters on the flow was performed, the results presented for different configurations of solar updraft tower, indicated that the most influent parameters on the mass flow are the diameter and the height of the tower, since the increase of the tower induces a greater pressure gradient which favors the flow. The most influential factor on the exit temperature of the flow was the diameter of the collector, since the larger the collector the more heat it will be absorbed by the flow. Literature models were used to evaluate the energetic and exergetic efficiency of this device for the defined geometries. An analytical model with the conditions of the flow as a function of the geometric parameters was developed and a parametric analysis was performed to understand the influence of the geometric parameters on the flow and its efficiencies. The analysis of the analytical model allows to conclude that the geometric parameters that most influence the heat transfer rate and the mass flow rate are the diameter of the collector and the diameter of the tower. In general, it is observed that the increase of the geometric parameters favors the energy efficiency of the system. A numerical model in CFD (Computational Fluid Dynamics), which encompasses the device, the atmosphere and the ground, was simulated and it was possible to understand that it behaves consistent with the literature. It is also analyzed the influence of the crosswind that increases the convective heat losses of the collector to the environment and that the part of wind that enters the interior of the device by the collector causes distortions in the air flow, besides the reduction of the effective area of exit of the tower, since the stricture reduces the outflow of air. Therefore, the influence of the collector height should be evaluated in conjunction with the external wind to the device. In general, it can be assumed that both numerical models can be used as an estimate for the behavior and performance of the device. Keywords: Solar updraft tower. Energetic and Exergetic analysis. Numerical and Experimental analysis.

Актуальність роботи Світова сонячна енергетика розвивається дуже швидко. Крім щорічного приросту встановлених потужностей активно ведуться розробки технологій, що дозволяють підвищувати ефективність генерації електроенергії. Однією з розвиваючихся технологій перетворення сонячного випромінювання у електричну енергію є СЕУ, що складаються з сонячного концентратора та теплового двигуна, котрий перетворює теплову енергію на механічну та електричну. Особливістю роботи цих установок є необхідність акумулювання енергії, у зв'язку з непостійністю надходження енергії від сонця. Стабільність і надійність функціонування таких систем можуть бути досягнуті за допомогою акумуляторів, що заряджаються в період перевищення надходження енергії над споживанням і розряджається при перевищенні споживання. Мета дослідження Метою роботи є створення теплового акумулятора на базі матеріалу з фазовим переходом, дослідження його роботи та визначення основних енергетичних характеристик на сонячній енергоустановці з двигуном Стірлінга УДС-1. Задачі дослідження Для досягнення мети було сформульовано наступні задачі: - створення теплового акумулятора на базі матеріалу з фазовим переходом; - створення дослідницької сонячної енергетичної установки на базі підібраних структурних елементів: сонячного концентратора, двигуна Стірлінга УДС – 1, електрогенератора, теплового акумулятора; - проведення експериментальних досліджень з перевіркою роботоздатності створеної СЕУ та визначення основних енергетичних характеристик СЕУ та теплового акумулятора. - аналіз отриманих експериментальних результатів, проведення теоретичних розрахунків та визначення основних характеристик процесу акумулювання теплоти Об’єкт дослідження: сонячна енергоустановка, що складається з двигуна Стірлінга та теплового акумулятора. Предмет дослідження: основні характеристики та ефективність перетворення та акумулювання сонячної енергії. Процеси теплообміну у тепловому акумуляторі, що базується на принцип фазового переходу. Методи дослідження 1. Експериментальні методи: визначення основних робочих параметрів елементів СЕУ (температура ТА, частота обертів ДС, струм, напруга на виході електрогенератора). 2. Теоретичні методи: методи розрахунку теплового потоку від тіла, комп’ютерне моделювання процесу тепловіддачі енергії ТА на повітрі. Наукова новизна одержаних результатів – створено тепловий акумулятор для СЕУ на базі двигуна Стірлінга зі сплаву Mg51%-Zn; – побудовані термограми охолодження ТА при роботі з СЕУ та при охолодженні водою і повітрям; – побудовані графіки струму, напруги та потужності електрогенератора СЕУ при її роботі з ТА; – визначена діаграма теплового потоку ТА у часі та розрахована його енергоємність; – проведено комп’ютерне моделювання процесу охолодження акумулятора на повітрі з використанням програмного забезпечення SolidWorks. Практичне значення одержаних результатів В роботі доведена роботоздатність теплового акумулятора виготовленого зі сплаву Mg51%-Zn та експериментальним шляхом отримані його основні енергетичні показники. Створений ТА та модернізована СЕУ можуть використовуватися у навчальному процесі для демонстрації роботоздатності системи та визначання показників її роботи. Апробація результатів дисертації 1) Виготовлення теплового акумулятора для сонячної енергоустановки на базі двигуна Стірлінга. //Матеріали ХVІ міжнародної науково-практичної конференції аспірантів, магістрантів, студентів «Сучасні проблеми наукового забезпечення енергетики» 24 – 27 квітня 2018 року. Київ-2018. – с.233. 2) Дослідження теплового акумулятора для сонячної енергоустановки на базі двигуна Стірлінга // Матеріали науково-технічної конференції «ЕНЕРГЕТИКА. ЕКОЛОГІЯ. ЛЮДИНА» 2018 року. Інститут енергозбереження та енергоменеджменту НТУУ «КПІ». Київ-2018. Topicality of work Solar power develops very quickly. In addition to the annual increase in installed capacity actively develop technologies that improve the efficiency of generating electricity. One of the developing technologies of converting solar radiation into electric energy is the solar generating power plant consisting of a solar hub and a thermal motor, which converts thermal energy into mechanical and electrical energy. The peculiarity of these plants is the need to accumulate energy, due to the volatility of energy from the sun. The stability and reliability of the functioning of such systems can be achieved with using of accumulators, charged in the period of excess energy intake over consumption and discharged in excess of consumption. The aim of the study The purpose of the work is to create a thermal battery based on material with phase transition, study how it works and determine the main energy characteristics of the power plant with the Stirling engine UDS-1. Tasks of the research To achieve the goal, the following tasks were formulated: - creation of a thermal battery based on material with phase transition; - creation of research solar power installation on the basis of selected structural elements: solar concentrator, Stirling engine UDS - 1, electric generator, thermal accumulator; - conduct pilot studies to verify the feasibility of the created SPP and determine the main energy characteristics of the SPP and heat storage. - analysis of the experimental results obtained, theoretical calculations and determination of the main characteristics of the process of heat accumulation Object of research: thermal battery, working with the phase transition of matter. Subject of research: characteristics of a heat storage and SPP on the basis of the Stirling engine with a heat accumulator. Research methods 1. Experimental methods: the determination of the main operating parameters of the elements of the SPP (temperature HS, speed of the SE, amperage, voltage at the output of the generator). 2. Theoretical methods: methods of calculating the heat flow from the body, computer simulation of the process of heat transfer of energy HS in the air. Scientific novelty of the obtained results - a body battery for the SPP on the basis of the Stirling engine from the alloy Mg51% -Zn was created; - thermograms is constructed during operation with SPP cooled by water and air; - diagrams of the current, voltage and power of the generator of the SPP during its operation with TA have been constructed; - the diagram of the heat flow in the time HS is determined and its energy intensity is calculated; - computer simulation of the cooling process of the battery in the air using SolidWorks software has been carried out. The practical value of the results The work proved that the heat accumulator manufactured from the alloy Mg51% -Zn was experimentally obtained and its main energy indices were obtained. The HS created and the upgraded SPP can be used in the learning process to demonstrate the robotability of the system and determine its performance. Approbation of the results of the dissertation 1) Production of a thermal battery for a solar power plant based on the Stirling engine. // Materials of the XVII International Scientific and Practical Conference of Postgraduates, Graduates, Students "Modern Problems of Scientific Supply of Power Engineering" April 24 - 27, 2018. Kyiv-2018. 2) Investigation of the thermal battery for a solar power plant based on the Stirling engine // Materials of the scientific and technical conference "ENERGY. ECOLOGY. MAN "2018 year. Institute of Energy Saving and Energy Management NTUU "KPI". Kyiv-2018.

Дана магістерська дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів основної частини, висновків, списку використаних літературних джерел та двох додатків. Повний обсяг роботи складає 79 сторінок, включає у себе 40 рисунків, 10 таблиць, 45 формул, 29 джерел в переліку посилань та 1 презентацію. Метою роботи є створення універсального програмного забезпечення для обрахунку основних енергетичних характеристик параболоїдних та параболоциліндричних концентраторів сонячної енергії у середовищі «Borland C++ Builder»; створення моделі існуючого параболоїдного сонячного концентратора в програмному середовищі «Comsol Multiphysics». Основним показником ефективної роботи є коефіцієнт концентрації, визначення якого базується на роботах. Об’єкт дослідження: процеси енергоперетворення у параболоїдному сонячному концентраторі для СЕУ на базі двигуна Стірлінга. Предмет дослідження: енергетичні характеристики ПСК на базі двигуна Стірлінга. Опубліковані тези доповіді «Особливості моделювання сонячного параболоїдного концентратора в програмному середовищі Comsol Multiphysics» на ХVІ міжнародній науково - практичній конференції «Сучасні проблеми наукового забезпечення енергетики» та статтю «Розробка програмного забезпечення розрахунку основних енергетичних характеристик сонячного параболоїдного та параболоциліндриного концентратора» у науковому журналі «Енергетика: економіка, технології, екологія» (в редакції). This master's dissertation consists of an introduction, four sections of the main part, conclusions, a list of used literary sources and two applications. Full work is 79 pages, includes 40 drawings, 10 tables, 45 formulas, 29 sources in the list of references and 1 presentation. The purpose of the work is to create a universal software for calculating the main energy characteristics of paraboloid and parabolic-cylindrical solar energy concentrators in Borland C ++ Builder environment; creation of a model of an existing paraboloid solar concentrator in Comsol Multiphysics software environment. The main indicator of effective work is the concentration coefficient, whose definition is based on the work. Object of research: processes of energy conversion in a paraboloid solar concentrator for the СЕУ on the base of the Stirling engine. Subject of research: power characteristics of the solar energy station on the basis of the Stirling engine. The abstracts of the report "Features of modeling of the solar paraboloid concentrator in the Comsol Multiphysics software environment" at the XVI International Scientific Conference "Modern Problems of Scientific Supply of Energy" and the article "Development of Software for Calculating the Basic Energy Characteristics of a Solar Paraboloid and Parabolo-Cylindrical Hub" in the Scientific Journal "Power Engineering" : economy, technology, ecology "(in edition).

Orientador: Prof. Dr. Wagner André dos Santos Conceição Coorientador: Prof.ª Dr.ª Mônica Ronobo Coutinho Dissertação (mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Estadual de Maringá, 2017 RESUMO: Os coletores solares são utilizados para aquecer o ar, sendo uma forma de converter a energia de radiação solar, disponível de forma gratuita, limpa e sustentável, em uma energia térmica passível de ser aproveitada pelas mais diversas atividades humanas. O ar é admitido em temperatura ambiente pelo coletor e escoa em seu interior absorvendo calor das placas que constituem o conjunto, o que causa um incremento em sua temperatura. O ar quente pode, então, ser utilizado em desidratadores de alimentos, trocadores de calor, estufas, entre outras aplicações. Este trabalho teve como objetivo analisar aquecedores solares de placas planas de canal simples com convecção forçada, identificando a relação entre a vazão mássica de ar e a eficiência. Para isso, foram utilizadas três abordagens distintas, com a intenção de comparar a eficácia dos métodos e validar os resultados. As abordagens são a modelagem analítica proposta por Ong (1995); a simulação utilizando o pacote de elementos finitos Elmer disponível como software de licença livre; e a aquisição de dados de um protótipo experimental. Inicialmente, foi utilizado o modelo analítico implementado no software livre Scilab para obter a geometria mais adequada às condições climáticas da região e selecionar materiais de baixo custo. Em seguida, essa geometria foi modelada e o processo simulado utilizando o Elmer. Para finalizar, o protótipo foi construído para a coleta de dados. Foi possível confirmar a validade dos dados coletados experimentalmente com os resultados obtidos analiticamente e numericamente. Além disso, coletores submetidos a um escoamento forçado possuem um comprimento ideal de projeto, o qual pode ser previsto para evitar uma região de menor eficiência ABSTRACT: The solar collectors are used to heat the air, being a way to convert solar energy radiation, available free of charge, clean and sustainable, in a thermal energy that can be used by the most diverse human activities. The air is admitted in room temperature by the collector and drains inside absorbing heat from the plates that make up the set, which causes an increase in its temperature. Hot air can be used in food dehydrators, heat exchangers, greenhouses, among other applications. The objective of this work was to analyze solar heaters of flat plates of single channel with forced convection, identifying the relation between the mass flow of air and the efficiency. Three different approaches were used to compare the efficacy of the methods and to validate the results. The approaches are the analytical modeling proposed by Ong (1995), the simulation using the Elmer finite element package available as free license software and data acquisition from an experimental prototype. Initially, the analytical model implemented in the free software Scilab was used to obtain the geometry best suited to the climatic conditions of the region and to select low cost materials. Then, this geometry was modeled and the process simulated using Elmer. Finally, the prototype was built for data collection. It was possible to confirm the validity of the data collected experimentally with the results obtained analytically and numerically. In addition, collectors subjected to a forced flow have an ideal design length which can be predicted to avoid a region of lower efficiency 84 f. : il. (algumas color.).

Dissertação (mestrado) - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Resumo: Este trabalho se destinou ao estudo de chaminés solares através da modelagem do escoamento de ar no interior do dispositivo e sua otimização em função dos parâmetros geométricos. A análise energética e exergética de um protótipo de chaminé solar foi realizada através de dados experimentais presentes na literatura. Para caracterizar o estado morto foram utilizadas duas temperaturas de modo comparativo, sendo uma fixa e outra variável. Modelos da literatura para radiação solar e temperatura ambiente foram comparados com os dados de estações climatológicas disponíveis e com os dados experimentais da literatura. As condições do escoamento foram modeladas em função dos parâmetros geométricos e uma análise paramétrica foi realizada para compreender a influência dos parâmetros geométricos sobre o escoamento e suas eficiências. Com base nesta análise, foram utilizados de modo comparativo dois métodos de otimização, o método das direções conjugadas e o método da métrica variável, com o objetivo de obter as dimensões geométricas que proporcionem a máxima eficiência exergética média anual. Como resultado foi observado que há um grande potencial de exergia para ser aproveitado, apresentando eficiência média anual de 15%, e que a definição do estado morto como a temperatura ambiente instantânea torna o estudo mais fiel à realidade. Quanto às condições ambientais, os modelos para a temperatura ambiente representaram o comportamento da mesma, sendo que o modelo de maior complexidade apresentou melhor acurácia. Os modelos da literatura para a radiação solar apresentaram resultados coerentes, sendo que um dos modelos apresentou diferenças elevadas para a radiação difusa. A modelagem das condições do escoamento apresentou resultados satisfatórios para a descrição das temperaturas. Sendo que estas apresentaram valores médios ao longo do ano de 24 °C para a temperatura ambiente e de 27 °C para a temperatura de saída do escoamento. Todavia, a vazão mássica apresentou diferenças elevadas, sobretudo no período noturno, apresentando valor médio anual de 1,3 kg/s. A análise paramétrica realizada demonstrou que os parâmetros mais importantes para a determinação da configuração de um sistema real são o diâmetro da torre e do coletor e a altura da torre. A otimização através dos dois métodos apresentou resultados diferentes para os parâmetros geométricos. O método da métrica variável apresentou eficiência exergética média anual de 48% e o método das direções conjugadas apresentou eficiência exergética média anual de 55%. Palavras-chave: Chaminé Solar. Análise Energética e Exergética. Condições Ambientais. Condições do Escoamento, Análise Paramétrica e Otimização. Abstract: This work was dedicated to the study of solar chimneys by modeling the air flow inside the device and its optimization in terms of geometrical parameters. Energy and exergy analysis of a prototype solar chimney was performed by experimental data in the literature. To characterize the dead state two temperatures comparative mode were used, one fixed and the other variable. Literature data for solar radiation and ambient temperature were compared with data from weather stations available and with experimental data from literature. The flow conditions were modeled as a function of the geometric parameters and a parametric analysis was performed to understand the influence of geometrical parameters on the flow and efficiencies. Based on this analysis, used a comparative mode two methods of optimization, the method of conjugate directions and the method of variable metric, in order to obtain the geometric dimensions that provide the maximum annual average exergetic efficiency. As a result it was observed that there is a great potential to be tapped exergy, with an average annual efficiency of 15%, and that the definition of dead state as instantaneous ambient temperature makes the study more faithful to reality. On environmental conditions, the models accounted for the temperature behavior of the same, with the more complex model showed better accuracy. The literature data for solar radiation showed consistent results, with one of the models showed high differences for diffuse radiation. The modeling of the flow conditions were satisfactory for the description of temperature results. Since these had average throughout the year 24 °C to room temperature values 27 °C and the outlet temperature to the flow. However, the mass flow showed great differences, especially at night, with an annual average value of 1.3 kg / s. The parametric analysis showed that the most important for determining the configuration of real system parameters are the diameter of the tower and the collector and the height of the tower. The optimization by the two methods showed different results for the geometric parameters. The method of variable metric presented exergetic efficiency average of 48% and the method of conjugate directions presented annual average exergetic efficiency of 55%. Keywords: Solar Chimney. Energy and Exergy Analysis. Environmental Conditions. Flow Conditions. Parametric Analysis and Optimization.

Η τεχνολογία φωτοβολταϊκών λεπτών φιλμ πυριτίου συνδυάζει χαμηλό κόστος παραγωγής, μικρό χρόνο ενεργειακής απόσβεσης και χαμηλές απαιτήσεις σε πρώτες ύλες. Ωστόσο, μειονεκτήματα όπως η χαμηλή απόδοση και η φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση του άμορφου πυριτίου καθιστουν την τεχνολογία αυτή λιγότερο ανταγωνιστική σε σχέση με τα φωτοβολταϊκά κρυσταλλικού πυριτίου. Για να αυξηθεί η απόδοση χρησιμοποιούνται περισσσότερα ενεργά στρώματα οδηγώντας σε φωτοβολταϊκά πολυεπαφών. Συνδυάζοντας άμορφο και μικροκρυσταλλικό πυρίτιο, με ενεργειακό χάσμα περίπου 1.7eV και 1.1eV αντίστοιχα προκύπτει η διάταξη a-Si/μc-Si. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται εκτενώς το φωτοβολταϊκό a-Si/μc-Si, το οποίο αναφέρεται και ως micromorph. Μελετώνται τα χαρακτηριστικά των ενεργών υλικών από τα οποία αποτελείται και οι ιδιότητες εκείνες που απαιτούνται για υψηλής ποιότητας επιστρώσεις. Παρουσιάζονται τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της τεχνολογίας φωτοφολταϊκών λεπτών φιλμ πυριτίου και οι διαφορές της με τις υπόλοιπες τεχνολογίες. Μελετάται επίσης η δομή της διάταξης a-Si/μc-Si και η έρευνα που αφορά τις τεχνικές βελτιστοποίησής της και την αύξηση της απόδοσης. Στη συνέχεια γίνεται πειραματική μελέτη για τις επιδόσεις ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου a-Si/μc-Si σε συνθήκες εξωτερικού χώρου, σε σύγκριση με φωτοβολταϊκά πλαίσια άλλων τεχνολογιών πυριτίου, ενός μονοκρυσταλλικού και ενός άμορφου. Το πλαίσιο a-Si/μc-Si της εταιρείας Heliosphera που μελετήθηκε έχει υποστεί την αναμενόμενη φωτοεπαγόμενη υποβάθμιση και η απόδοσή του σε πρότυπες συνθήκες βρέθηκε ίση με 8.14% με μια μείωση 8.5% από την αρχική απόδοση. Μελετήθηκε η εξάρτηση της επίδοσης των φωτοβολταϊκών πλαισίων από την μεταβολή της γωνίας πρόσπτωσης, τη θερμοκρασία και την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Επιβεβαιώθηκε πειραματικά η μείωση της απόδοσης του πλαισίου a-Si/μc-Si με την αύξηση της αέριας μάζας, κάτι που παρατηρήθηκε και για το πλαίσιο αμόρφου πυριτίου. Η μελέτη φωτοβολταϊκών πλαισίων σε συνθήκες εξωτερικού χώρου θα οδηγήσει στην κατανόηση των διαφορών μεταξύ διαφορετικών τεχνολογιών και στη σημασία των κλιματολογικών συνθηκών ενός τόπου στην επιλογή των φωτοβολταϊκών πλαισίων για κάποια εγκατάσταση. Thin film silicon photovoltaic technology combines low production cost, short energy payback time and low demands of raw materials. However, drawbacks as low efficiency and light induced degradation make this technology less competitive in regard to crystalline silicon solar cells. In order to increase the efficiency, more active layers are used leading to multijuction photo voltaics. Combining amorphous and microcrystalline silicon with energy bandgap of 1.7eV and 1.1eV correspondingly, results in the device a-Si/μc-Si.. In this work a-Si/μc-Si, which is also referred as micromorph, is thoroughly presented. The characteristics of its active materials and the properties required for device quality layers are studied. The specific properties of thin film silicon photovoltaics are presented along with the differences with other technologies. The structure of the a-Si/μc-Si device and the research for its optimization techniques and efficiency increase are also studied. An experimental study takes place for the performance of an a-Si/μc-Si photovoltaic module in outdoor conditions, in comparison with other silicon photovoltaic technologies, as monocrystalline and amorphous silicon. The module a-Si/μc-Si of the company “Heliosphera” that was studied has undertaken the prospective light induced degragation and its efficiency in standard conditions was 8.14% with a reduction of 8.5% from the initial efficiency. The performance of the photovoltaic modules was studied under the effect of shifts in the angle of incidence, temperature changes and changes in the solar irradiation intensity. The reduction in the efficiency of the a-Si/μc-Si module with the increase of the air mass was experimentally confirmed and was also verified for the amorphous silicon module. The study of photovoltaic modules in outdoor conditions will lead in better understanding the differences among various technologies and the effect of the climate conditions of a location on the choice of the photovoltaic modules for an installation.

Σκοπός της παρούσης διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση, μέσω παραμετρικών αναλύσεων, της συμπεριφοράς και απόδοσης ενός δεδομένου Θερμικού Ηλιακού Συστήματος (Θ.Η.Σ.) για την περιοχή της Πάτρας. Στα πλαίσια αυτά, στο πρώτο μέρος της εργασίας περιλαμβάνεται μία βιβλιογραφική έρευνα, η οποία καλύπτει εκτενώς θέματα όπως η ηλιακή ακτινοβολία, κατηγορίες – εφαρμογές και ανάλυση των κύριων συνιστωσών ολοκληρωμένων Θ.Η.Σ., καθώς επίσης και μεθόδους εξομοίωσης τους. Στο δεύτερο μέρος αναπτύσσεται πρόγραμμα υπολογιστή, το οποίο αφ’ ενός υπολογίζει την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει σε μία επιφάνεια στην περιοχή της Πάτρας, αφ’ ετέρου προσδιορίζει, μέσω δύο μεθόδων (αναλυτική και f-chart), τα μηνιαία και ετήσια ποσοστά κάλυψης του φορτίου ενός δεδομένου Θ.Η.Σ.. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων αυτών εμφανίζονται στη συνέχεια σε σχετικά γραφήματα παρέχοντας διάφορα χρήσιμα συμπεράσματα. This project includes bibliographic research related to solar thermal systems and a study of performance, via parametrical analysis, for a solar water heating system installed in a hotel unit located in the region of Patras.

Τα ολοκληρωμένα ηλιακά συστήματα συλλέκτη αποθήκης αποτελούνται από μία δεξαμενή αποθήκευσης, της οποίας τμήμα της επιφάνειας της χρησιμοποιείται σαν ηλιακός συλλέκτης. Συνήθως το ρευστό της αποθήκης είναι το νερό χρήσης. Στο υπό εξέταση σύστημα το νερό χρήσης θερμαίνεται έμμεσα, διερχόμενο μέσα από σωληνώσεις εναλλάκτη θερμότητας που τοποθετείται στο εσωτερικό της παραλληλεπίπεδης δεξαμενής. Για την εντατικοποίηση της μετάδοσης θερμότητας προς το νερό χρήσης, δημιουργείται ανάδευση του ρευστού του δοχείου μέσω κυκλοφορητή, ο οποίος τίθεται σε λειτουργία μόνο όταν υπάρχει ζήτηση ζεστού νερού. Προς αποφυγή παραμορφώσεων τοποθετούνται πτερύγια συγκράτησης που ενώνουν τις δύο μεγάλες επιφάνειες της δεξαμενής. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνήθηκαν τα ροϊκά φαινόμενα στο εσωτερικό του ICS που έχει περιγραφεί προηγουμένως, με στόχο τη μεγιστοποίηση της θερμανταλλαγής μεταξύ των δύο κυκλωμάτων νερού. Για την παρατήρηση του ροϊκού πεδίου καθώς και την λήψη μετρήσεων ταχυτήτων κατασκευάστηκε πειραματική συσκευή με διαφανή τοιχώματα από Plexiglas. Ελήφθησαν μετρήσεις ταχυτήτων και διακυμάνσεων με χρήση συστήματος Laser Doppler διπλής ακτίνας. Για την οπτικοποίηση του ροϊκού πεδίου τοποθετήθηκαν σωματίδια πολυστερίνης στο εσωτερικό της συσκευής. Ελήφθησαν ψηφιακές φωτογραφίες και βιντεοσκοπήσεις του ροϊκού πεδίου. Για την υπολογιστική προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το εμπορικό λογισμικό FLUENT. Αναπτύχθηκε υπολογιστικό μοντέλο και επιλύθηκε με όλα τα διαθέσιμα μοντέλα τύρβης. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε σειρά υπολογιστικών προσομοιώσεων, στις οποίες διερευνήθηκε η βέλτιστη θέση και το μέγεθος των στομίων ανακυκλοφορίας, η βέλτιστη διάταξη των πτερυγίων συγκράτησης και η βέλτιστη θέση του εναλλάκτη. Επιπλέον προσδιορίστηκε υπολογιστικά και πειραματικά ο χρόνος αποκατάστασης του ροϊκού πεδίου. Τέλος, τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν και με πειραματικά αποτελέσματα άλλων εργασιών. Τα συμπεράσματα που εξάγονται έχουν ως ακολούθως: Το μοντέλο τύρβης standard k-ω δίνει τα πιο αξιόπιστα αποτελέσματα. Το υπολογιστικό μοντέλο θεωρείται πιστοποιημένο μετά από πειραματική επιβεβαίωση ταχυτήτων και θερμοκρασιών. Το στόμιο ανακυκλοφορίας δεν πρέπει να τοποθετείται κάθετα στις μεγάλες επιφάνειες της δεξαμενής, ενώ η διάμετρος του πρέπει να είναι 1/2" ή και μικρότερη. Ο χρόνος αποκατάστασης του ροϊκού πεδίου είναι περίπου 35 s. Τα πτερύγια συγκράτησης πρέπει να ακολουθούν τις ροικές γραμμές. Ως βέλτιστη θέση του εναλλάκτη θεωρείται όταν τοποθετείται σε επαφή με το τοίχωμα. Integrated Collector Storage (ICS) solar systems use part of the hot water storage as collector, i.e. half of the storage surface is used as absorber. Usually, the storage medium serves also as the energy transfer medium (service hot water). In the examined ICS, the service water is heated indirectly, passing through a serpentine heat exchanger placed inside the tank. The heat transfer from the stored water to the service water is intensified by the agitation of the stored water. A simple solution is the recirculation of the stored water by a small pump, which is functioning whenever a request for hot water exists. Fins in suitable positions, connect the front and back surface of the ICS, to withstand the deformation due to pressures by the tank water. In the present PhD thesis, the flow phenomena inside the ICS previous mentioned, are investigated. The aim is the maximization of the heat transfer between the two water circuits. An experimental device was constructed by transparent Plexiglas, for flow visualization and velocity measurements. A dual beam Laser Doppler Velocimetry (LDV) system was used to measure velocities. Polystyrene particles were added in the comprised water, for the visualization of the path lines. Photographs and video films were also taken. The commercial code FLUENT is used for the Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. A CFD model is developed and solutions are obtained using all the available turbulence models. Three main factors that influence the performance are optimized: the position and size of the recirculation ports, the arrangement and size of the interconnecting fins and the heat exchanger placement. The settling time, i.e., the time required for the flow field to be fully developed, is computed both numerically and experimentally. The previous analysis leads to the following conclusions: The standard k–ω model is selected as the most appropriate. The model is validated, with good agreement, against experimental measurements of velocities and temperatures. The placement of the inlet recirculation port perpendicular to the main surfaces of the ICS should be avoided, while its diameter should be 1/2" or less. The settling time is computed about 35s. The interconnecting fins, of the two main ICS surfaces should follow the flow filed path lines. The optimal placement of the tube heat exchanger is in contact with the two major surfaces of the storage tank.

Dissertação (mestrado) - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Bibliografia: f. 136-140 Resumo: A economia propiciada pelos aquecedores solares de água, em substituição aos chuveiros elétricos, é entendida como uma geração virtual de energia elétrica, visto que estes equipamentos são responsáveis por mais de 5% do consumo nacional de energia elétrica e por cerca de 18% da demanda de ponta do sistema elétrico. A minimização desse consumo de ponta significaria um grande benefício para o sistema de geração e distribuição de energia, deslocando a urgência de grandes investimentos de recursos, além de diminuir a pressão ambiental trazida pela inundação de grandes lagos necessários às hidrelétricas. Para a implementação intensiva de sistemas de aquecimento solar, torna-se ainda necessário o desenvolvimento de ferramentas de simulação que permitam uma análise criteriosa do comportamento de coletores solares em associações de grande porte, agilizando a etapa de projeto e inserção dos coletores nestas associações com maior grau de confiabilidade. O modelo físico proposto baseia-se nas equações de conservação da energia, massa e momentum, contemplando a não-uniformidade da vazão nos tubos de distribuição dos coletores solares. Os procedimentos experimentais desenvolvidos incluem ensaios internos realizados no simulador solar para avaliação do desempenho térmico de um coletor solar plano, operando sob diferentes condições de vazão de água. Os resultados obtidos experimentalmente foram utilizados para validação do modelo numérico proposto. A análise dos resultados obtidos experimentalmente foi confrontada com os resultados numéricos, sendo observadas as tolerâncias e incertezas da instrumentação utilizada, obtendo-se resultados bastante satisfatórios para a simulação, notadamente para a distribuição de temperatura do fluido. Abstract: The economy propitiated by the solar water heaters, in substitution to the electric showers, it is understood as a virtual generation of electric power, because these equipments are responsible for more than 5% of the national consumption of electric power and for about 18% of the top demand of the electric system. The consumption minimization would mean a great benefit for the generation system and energy distribution, moving the urgency of great investments of resources, besides, reducing the environmental pressure brought by the flood of great necessary areas to the hydroelectric ones. For the intensive implementation of solar heating systems, its becomes still necessary the development of simulation tools that allow a discerning analysis of the solar collectors behavior in associations of great load, activating the project stage and inserting the collectors in these associations with larger reliability degree. The proposed physical model bases on the equations of energy conservation, massand momentum, contemplating the no-uniformity of the flow in the distribution tubes of the solar collectors. The developed experimental procedures include internal rehearsals accomplished in the solar simulator for thermal acting evaluation of the collector solar plan, operating under different conditions of water flow. The results obtained experimentally were used for validation of the proposed numeric model. The results analysis obtained experimentally was confronted with the numeric results, being observed the tolerances and uncertainties of the used instrumentation, being obtained quite satisfactory results for the simulation, especially for the temperature fluid distribution.